基于图像灰度自适应控制的光源系统*

刘秀峰，王兴东*，裴 云，杨先发，刘源泂

(1．武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，武汉430081;2．武钢钢铁股份有限公司设备管理部，武汉430083)

LIU Xiufeng1，WANGXingdong1* ，Pei Yun2，Yang Xianfa2，LIU Yuanjiong1

(1．MoE Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Their Control，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China;2．Department of Equipment Management，Wuhan Iron and steel Co．Ltd．，Wuhan 430083，China)

对于基于机器视觉的表面缺陷检测设备，光源亮度对缺陷检出率有着重要的作用。如果光源亮度过强，则导致采集到的图像产生亮点和阴影，使得后续的图像处理和缺陷识别出现误检测;如果光源亮度太弱，则导致图像特征对比度偏低，会降低缺陷的检出率。

根据对数字图像处理的研究，当图像灰度分布均匀时，它的信息熵达到最大值，此时的图像含有的信息量最大，图像看起来最为清晰［1］。面对同一被检物，光源照明使得采集到的图像平均灰度在110～120时(灰度级数0～255)，灰度分布相对最为均匀，此时图像包含的信息量最大，检测设备拥有较高的缺陷检出率。因此良好光源的标准是:能够使得被检物的图像的平均灰度在110～120之间。

1 光源设计方案

现有的应用于表面缺陷检测设备的光源系统，主要从光源照明方式、光源光谱选择和光源照射光路等角度，以试验的方法针对某一特定被检物进行专门设计［2］。该方法设计出的光源通常只能适用于特定的被检物。但是随着表面缺陷检测设备的应用推广，检测设备使用的环境和检测的对象也日趋复杂。以冷轧带钢生产线使用的表面检测设备为例，该设备要能检测生产线生产不同品种带钢的表面缺陷［3］。不同品种的带钢由于本身材质和工艺等原因使得其表面反射特性不同。光源在同样亮度的情况下，不同的反射特性导致采集到的图片平均灰度出现变动，最终影响到检测设备检出率。因此为了保证检测设备拥有良好的检出率，需要光源系统能够根据检测的对象自动调整光源亮度。

1．1 光源控制原理

为了使光源适用于不同被检物，现设计一种基于图像灰度为控制目标的光源系统。该系统能够根据摄像头拍摄到被检物的图像的平均灰度来调节光源亮度，最终让图像的平均灰度在110～120之间。

图像大小为N×M的平均灰度计算公式:

式中，Ia为图像平均灰度，I(i，j)为图像中第i行、第j列的灰度［3］。

光源亮度控制方程:

式中，e(t)=c(t)－r(t)，是图像的实时灰度与理想灰度的偏差值，作为光源亮度控制的输入值;K为亮度控制的比例系数;u(t)是调光控制器的输出量。

光源系统由工业摄像头、调光控制器和光源板3部分组成。其中调光控制器调节光源板发光亮度，光源板对目标物进行照明，工业摄像头拍摄实时图像。调光控制器通过进行理想和实时的平均灰度的比较，调整光源亮度，最终让光源系统亮度达到理想范围。图1所示为基于图像灰度的自适应调光控制原理图。

图1 基于图像灰度的自适应调光控制原理

1．2 光源种类选择

现在机器视觉领域中使用的主要光源类型有:荧光灯、钨丝灯、卤素灯、激光和 LED。根据文献［4］可知，由于LED具有节能、环保、寿命长、体积小、光效高和响应时间短等特点，LED开始被广泛的应用。因此选择LED作为表面检测设备的光源。

1．3 光源系统结构组成

光源系统分为工业摄像头、调光控制器和光源板三部分。工业摄像头为高精度面阵CCD摄像头作为光源系统的传感器;光源板为LED阵列光源板是控制系统的控制对象;调光控制器由PC机和单片机共同组成，其中PC机的工作是处理摄像头采集到的图像、比较理想和实时灰度、计算控制输出量和向单片机发送调光信号，单片机的功能是接收PC机调光信号和对LED光源板的亮度控制，PC机和单片机之间通过串口进行通信。光源系统的结构框图如图2所示。

图2 光源系统结构框图

2 LED光源板

2．1 LED 控制方式

由LED的发光原理可知，LED的发光亮度与通过LED的正向电流成正方向变化。因此调节LED的亮度就是控制通过LED的电流大小。一般常见调光方式分为模拟方式和PWM(Pulse Width Modulation)方式［5］。

模拟调光方式具有亮度连续可调且电路较为简单便于实现等优点。但也存在着以下缺点:①调光的线性度差，难以实现精确调光;②当LED发光亮度调低时，整个驱动电路的发光效率随着电流的减小而急速下降;③在调节LED亮度的同时也会改变它的光谱。因此模拟调光技术不适合用于机器视觉的光源亮度调节。

PWM调光方式利用PWM方波控制MOS管开路和短路的方式来设定通过LED电流的大小。它通过改变PWM方波的占空比(D=T高电平/T总)获得对应的电流，进一步得到相应的亮度。它的优点有:①能够精准的控制通过LED的正向电流和调节光照强度，发光强度与PWM波占空比D成线性关系;②调光范围广，从理论上可以调节从0%到100%的光照强度;③由于LED通过的电流要么是最大值要么是零，所以调节LED亮度不会改变它的光谱;④PWM调光驱动电路的发光效率较高。

相比模拟调光方式，PWM调光方式通过对占空比的控制可精确控制 LED发光亮度;同时只要PWM控制信号稳定，LED发光亮度就能稳定，从而保证了机器视觉的光源系统工作的稳定性。采用PWM调光方式来进行光源系统的设计开发。

2．2 LED光源板硬件设计

LED颗粒型号为VISHAYⓇ生产的TSHF5210，其额定电压为1．4 V、额定电流为0．1 A、额定发光强度为180 mW/sr、光照半值角为10°、峰值波长为890 nm。MOS管型号为IRⓇ生产的IRFR320，其最大通过电流 ID为3．1 A、导通控制电压 VGS为2．0 V、导通电阻 RDS为2．0 Ω。

光源板由100个LED颗粒和1个MOS控制管组成。100个LED采取混联方式进行连接:10个LED串联成一路，然后再把串联的10路并联起来。1个MOS管与混联的LED进行串联。LED光源板硬件电路图如图3所示。

图3 LED光源板硬件电路图

光源板电源连接直流稳压电源，控制信号接口连接单片机的PWM信号输出口。

3 调光控制器软、硬件设计

调光控制器的功能是根据实时灰度调整PWM信号的占空比。其具体实现方式是每隔固定时间段，比较实时灰度值与理想灰度值(110～120)大小，如果实时灰度小于110，PWM信号的占空比调高0．5%;如果实时灰度大于120，PWM信号的占空比调低0．5%;如果实时灰度在110和120之间，PWM信号的占空比保持不变。

调光控制器由PC机和单片机共同组成。PC机主要是采集实时图像并判断如何调光，单片机主要是产生稳定的PWM信号，PC机和单片机之间通信采用串口通信实现。

3．1 PC机软件设计

PC机是光源系统的控制核心，它通过将数字图像进行计算和判断后，向单片机传递调光控制信号。PC 机的软件采用 VB6．0 进行编写［6－7］，主要拥有 4个子功能:①控制摄像头隔一段时间采集一次图像;②计算图像平均灰度并通过比较灰度等计算得到调光控制量;③通过串口将调光信号发送给单片机;④检测单片机传递过来的报警信号。

摄像头型号为大恒图像Ⓡ生产的DHHV5051。这款摄像头采用USB2．0接口、分辨率为2 592×1 944、图像采集帧率为8 frame/s。相机的图像采集可以通过直接调用大恒图像自带的摄像头软件控制包的程序。PC机的软件流程图如图4所示。

图4 PC机软件流程图

3．2 单片机软、硬件设计

3．2．1 单片机硬件设计

为了实现对机器视觉光源的控制，单片机主要拥有3个功能:①不间断的产生稳定PWM信号;②接受到PC机传输来的控制信号;③向PC机发送报警信号。单片机采用宏晶Ⓡ生产的STC89C52型单片机，利用单片机的定时器资源产生PWM信号，单片机与CH340T芯片构成串口通信模块接受PC机传输的控制信号。CH340T芯片是可以将PC机的USB口传输的串口信号转换成STC89C52单片机识别的TLL信号，可以直接实现单片机与PC的串口通信［7］。

3．2．2 单片机软件设计

单片机片内软件采用模块化设计，以主程序为核心设置了4个功能模块子程序，使一些功能在主程序中实现，简化设计结构。运行主程序通过调用各个功能模块子程序。

单片机内有4个功能模块:①产生PWM信号模块;②串口通信模块;③PWM控制信号占空比增加模块;④PWM控制信号占空比减少模块。在主程序中直接调用这4个模块，使得单片机的软件设计结构得到了简化。单片机的软件流程图如图5。

图5 单片机软件流程图

4 光源系统调光性能测试

图6 普通钢板、镀锌板、硅钢板反射特性曲线

为了测试该光源系统的自适应调光性能，选取冷轧带钢生产中具有代表性的3种钢板:普通钢板、镀锌板和硅钢板作为被检物。用光谱仪测定上述3种被检物的反射特性。由如图6所示的普通钢板、镀锌板和硅钢板的反射特性曲线可知:在入射光波长在800 nm ～ 900 nm 时，反 射率 是 R镀锌板＞ R普通钢板＞R硅钢板。

搭建好如图7试验平台，摄像头与PC机和PC机与单片机分别用USB线连接，光源板的控制信号接口与单片机PWM信号输出口用导线连接，光源板、被检物和摄像头组成一个明场照明光路。打开光源控制系统，先后放入普通钢板、镀锌钢板和硅钢板3种被检物。启动光源系统，等待其自动调光至稳定状态后，用示波器测量PWM控制信号的占空比，用照度计测量被检物的照度，在PC机软件中读出实时图像平均灰度。测试结果如表1所示。

图7 光源控制系统现场试验

表1 光源系统调光性能测试数据

通过试验结果可以看出该光源系统在面对不同种类的被检物时可以根据采集到的图像灰度调整光源亮度，并使得图像灰度保持在理想区间内。

5 结束语

该光源系统以图像灰度为基础进行亮度控制，可适用于不同的工作环境和工作对象，使得表面检测设备的光源适用性得到提高。同时，由于该光源控制系统结构简单、容易实现。对于一些需要光源亮度自动控制的表面检测设备，可按照此光源控制方式，对光源系统进行升级改造，提高设备的缺陷检出率。这种基于图像灰度的亮度自适应调光光源具有良好的市场前景。

［1］ 魏伟一．非均匀光照图像的灰度校正与分割技术研究［D］．兰州:兰州理工大学，2011．

［2］ 刘源泂．基于机器视觉的钢板表面成像优化与三维检测关键技术研究［D］．武汉:武汉科技大学，2011．

［3］ 李俊．机器视觉照明光源关键技术研究［D］．天津:天津理工大学，2006．

［4］ 王桥．数字图像处理［M］．北京:科学出版社，2009:16－17．

［5］ 周志敏，纪爱华．白光LED驱动电路设计与应用实例［M］．北京:人民邮电出版社，2009:71－79．

［6］ 范逸之，廖锦棋．Visual Basic．NET自动化系统监控:RS－232串行通信［M］．北京:清华大学出版社，2006．

［7］ 王一凡，颜建美．基于RFID和视觉的工业机器人系统应用与实践［J］．电子器件，2013，36(1):872 －875．

［8］ 李群芳，张士军，黄建．单片微型计算机与接口技术［M］．3版．北京:电子工业出版社，2010:131－138．